CN1969294A - 搜索用于水印检测的缩放因子 - Google Patents

Abstract

提供一种水印检测器(20)，包括用于接收包括待搜索的水印内容(W)的输入信号(Y′)的输入端。该检测器(20)的第一处理器(40)可用于分析该信号(Y′)的部分(100、110、120)以识别对应的特征属性集或指纹(P₁到P_q)以及关联的时间描述符(d₁到d_q)。还提供一到数据库(50)的通信链路，用以将指纹传送到数据库(50)以识别该信号并确定对应于原始信号中的部分(100、110、120)的相应时间描述符(MT₁到MT_q)。还包括第二处理器(220)，用于根据时间描述符(d₁到d_q)和检索的时间描述符(MT₁到MT_q)之间的差别计算输入信号(Y′)已经经受的缩放因子。该缩放因子可用于重新缩放信号并从重新缩放的信号(Y′)提取水印。

Description

搜索用于水印检测的缩放因子

技术领域

本发明涉及搜索缩放因子的方法，例如一种搜索与水印检测相关联的几何缩放因子的方法。而且，本发明还涉及配置为实现所述方法的装置。而且，本发明涉及可在计算设备上执行以实现所述方法的软件，并且还涉及可运行以提供估计在这些方法中使用的缩放因子的数据库。

背景技术

对于记录以及电影行业在过去的十年中对数据内容进行未授权的拷贝已经导致相当可观的财务损失，数据内容例如是记录在数据载体(例如CD和DVD)上并且经由通信网络(例如因特网)分发的音频和视频数据内容。为了试图防止这种拷贝，通常将水印特征包括在音频数据内容和视频数据内容中。进行法医学调查以确定数据内容的未授权分发的商业途径并从而采取行动，例如借助版权法来阻止这种未授权的分发；这些调查经常包括检测这种水印特征。特别是为了法医学目的，嵌入到数据内容中的水印特征传达了识别信息，其称为水印特征的数据负载。

为了不明显地损害音频和视频数据内容，将水印特征淡淡地嵌入到这种数据内容中。淡淡地嵌入的水印特征经常难以检测到，尤其是如果已将水印特征淡淡地嵌入其中的音频或者视频数据内容，经受处理步骤会导致加水印的音频或者视频数据内容中的信息丢失。

嵌入并且检索水印的方法是已知的。例如，国际公布的PCT专利申请WO 03/096337中描述了这种方法。所述专利申请将“取指纹”定义为这样一种技术：通过提取给定的信号内容的稳固的感知特征并在存储了标题、艺术家和类似信息的数据库中搜索提取出的特征。而且，所述公开的申请也将加水印定义为以不明显的方式将负载数据嵌入信号中的技术。在所述专利申请中，描述了一种包括共同申请的这种加水印和取指纹的方法。在所述方法中，从主信号X中提取原始指纹M(i)，然后将其存储在数据库中。接下来，将水印W(i)嵌入主信号X中以生成对应的修改信号X′，其指纹M′(i)稍微不同于原始主信号X中的指纹M(i)。当在接收器接收到修改的信号X′时，从接收的信号X′中提取指纹M′(i)，然后使用它来检查数据库。该数据库通过发送原始指纹M(i)来进行响应。然后，该接收器去掉修改指纹M′(i)中的原始指纹M(i)以获得水印W(i)。

实际上水印检测经常难以实现，尤其是在水印被淡淡地嵌入以保持原始高质量数据内容的时候，例如在HD视频节目数据内容中。音频和视频数据内容的几何缩放致使难以提取模糊的水印特征，原因在于在成功地确定能够可靠地提取水印负载信息的缩放因子之前，水印检测器被强制在可能的几何缩放因子的范围之内反复地处理数据内容。因此，现代的水印检测器通常不采用足够高效的水印检测方法来处理几何缩放数据内容，这种缩放可能使水印特征在音频和/或可视数据内容中检测不到。

通过定义，在录音的情况下在″几何缩放因子″方面的变化涉及利用与对应的记录速度不一致的重放速度，并从而在播放的内容中将所有频率移位相似的相对比率。而且，在视频内容的情况下在“几何缩放因子”方面的变化涉及在一个或多个图像方向(例如基本上水平方向和/或基本上垂直方向)的空间缩放方面的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搜索与水印检测相关联的缩放因子的方法。

根据本发明的第一方面，提供一种搜索与水印检测相关联的缩放因子的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)接收包括要被搜索的潜在水印内容的输入信号；

(b)分析该信号的部分以识别对应的特征属性集和其关联的测量的时间描述符；

(c)将特征属性集与参考数据进行匹配以确定相应于该部分的对应期望的时间描述符；以及

(d)根据测量的时间描述符和期望的时间描述符之间的差别计算输入信号已经经受的缩放因子。

本发明的优势在于：该方法能够提供增强的水印测量速度和更加稳固的缩放因子变化测量。

“匹配”要解释为包括相关性、项的比较、最小二乘方误差分析、或者任何其它关联数据的方法之中的一项或者多项。

优选地，所述方法进一步包括以下步骤：使用在步骤(d)确定的缩放因子来重新缩放输入信号以生成对应的重新缩放的输入信号，然后从重新缩放的输入信号中提取水印信息。这种重新缩放使得输入信号在被提供到水印检测器之前被重新缩放，从而增强水印检测的可靠性和/或速度。而且，使用标准水印检测硬件潜在地也是可能的，从而使该方法更加直接了当地利用已知的现代水印检测器实现。

优选地，为了进一步改善水印检测的可靠性和准确性，所述方法包括以下进一步的步骤：从步骤(d)应用在该缩放因子左右迭代的一个缩放因子来提取水印信息。

优选地，在该方法中，特征属性集对应于输入信号的内容指纹。有益的是，这种指纹对应于诸如包括在输入信号中的视觉特征、标志特征、加标签特征之类的属性。

优选地，为了给用户提供潜在有用的附加辅助信息，所述方法包括以下进一步步骤：利用特征属性集来识别与输入信号的节目数据内容有关的元数据。

优选地，在该方法中，响应于接收一个或多个特征属性集实时地生成至少一部分参考数据。参考数据的这种实时生成有利地减少了需要存储在存储器中的信息量。

优选地，在该方法的步骤(b)中，至少一个部分对应于信号的至少一个分段，具有1到10秒范围的播放持续时间，优选为基本上3秒。这种持续时间的有利之处在于：它兼顾了潜在地快速确定缩放因子的测量和/或水印内容的提取。

优选地，所述方法包括以下进一步的步骤：安排在步骤(d)中计算的缩放因子来校正施加到输入信号的至少一个以下失真：时间缩放因子失真、空间缩放因子失真、空间过滤失真、时间过滤失真。这种失真对应于因仿造以逃避水印检测而施加的复杂类型失真；该方法解决查找这种失真的能力能够使它更加稳固。

优选地，在该方法中，输入信号是包括音频、语音、图像和视频中至少一个的多媒体信号。

根据本发明的第二方面，提供一种水印检测器，可操作来搜索与水印检测相关联的缩放因子，该检测器包括：

(a)用于接收包括要搜索的潜在水印内容的输入信号的输入端；

(b)第一处理器，用于分析该信号的部分以识别对应的特征属性集和其关联的测量的时间描述符；

(c)到数据库的通信链路，用于将所述特征属性组集传送到数据库以将特征属性集与参考数据进行匹配来确定对应于该部分的对应期望的时间描述符；以及

(d)第二处理器，用于根据测量的时间描述符和期望的时间描述符之间的差别计算输入信号已经经受的缩放因子。

根据本发明的第三方面提供一种水印检测系统，包括根据本发明第二方面能够与数据库进行通信的检测器，所述数据库可操作来提供对应于特征属性集的期望的时间描述符，所述特征属性集可在检测器根据对输入信号的分析导出，所述期望的时间描述符可以与属性集相关联的测量的时间描述符一起使用来计算输入信号已经经受的缩放因子，所述缩放因子可用于在检测器内指引水印检测。

根据本发明的第四方面，提供一种可与根据本发明第二方面的检测器连接的数据库，所述数据库包括：与期望的缩放因子有关的数据和关联的期望特征属性集，所述关联的期望的特征属性集被与从对输入信号的分析而导出的测量的特征属性集相匹配，以便将所述期望的缩放因子相关到从对输入信号的分析而导出的所述测量的的特征属性集。

将理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以依照任何组合方式来组合本发明的特征。

附图说明

现在将参考随后的附图、仅仅通过举例来描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明能够实现搜索几何缩放因子的方法的水印系统的示意图；

图2是用于实现与图1有关的方法的指纹提取的示意图；

图3是根据本发明的水印检测器的示意图；以及

图4是示出了在图3的检测器内执行的处理功能的流程图。

具体实施方式

在图1中，示出了一种水印编码器10。编码器10可操作来接收输入信号X和水印数据W。而且，编码器10可操作来根据公式1(Eq.1)输出对应的水印信号Y，其中：

              Y＝X+W                Eq.1

水印检测器20可用于接收信号Y′以便从其中提取水印W。一般说来，检测器20通常能够从信号Y′提取水印W。

然而，当信号Y经受一个或多个处理步骤(例如量化、压缩、通过加速或者减速频繁缩放音频内容、在一个或多个图像空间方向上空间缩放视频内容中的一项或者多项)来生成信号Y′时，潜在地会出现困难，导致信号Y′相对于信号Y失真。视频内容的空间缩放例如包括通过空间带通滤波器处理信号Y，所述空间带通滤波器使存在于信号Y中的水印特征失真。而且，时间缩放(也称为频率缩放)实际上相当于对用于生成信号Y′的采样频率的修改。当检测器20没有设计成能处理一个或多个这些类型的失真时，水印数据W潜在地不能可靠地被检测到，或者在最坏的情况下，都不能被找到。

为了改进检测器20，一种已知的方法是基于在所关心的标度范围内对信号Y′中的水印执行穷尽式搜索。

这种穷尽式搜索潜在地减少在加水印的数据内容中检测不到水印的可能性。然而，对于给定的检测阈值，这种穷尽式搜索还潜在地引起假阳性水印检测，例如在没有加水印的数据内容中错误地检测到水印的存在。修改用于水印检测的检测阈值潜在地使这种穷尽式搜索不怎么稳固。

更为优选的是，根据对信号Y′执行的缩放搜索测试的的数目来设定检测阈值，以检测其中的水印数据W。而且，一种查找时间缩放的高效方法使用中间存储的对假定没有缩放的水印的估计；这种方法易于进一步通过采用线性内插而得到改善。该高效的方法实际上包括在根据公式2(Eq.2)设定的期望时间重新采样信号Y′：

$N=\frac{{\mathrm{\η}}_{\max }-{\mathrm{\η}}_{\min }}{\mathrm{\Δ}}---\mathrm{Eq}.2$

其中

Δ＝搜索格子大小；

η_max＝最大时间标度；

η_max＝最小时间标度。

搜索水印数据需要执行多个相关，其需要通过计算来识别最好的几何缩放因子供检测水印数据W之用。上述的失真可能会由于多个因素出现，例如就当前缩放而言：

(a)模拟-到-数字(AD)和数字-到-模拟(DA)转换器的时钟同步速度的变化，这种变化实际上经常约为0.01％的数量级；以及

(b)广播公司的速度变化，例如通常的做法是在从0％到4％的范围内增大商业记录(例如流行歌曲)的播放节拍，以便使商业记录在艺术上更加吸引人或者感人的。

依照本发明实施例，检测器20配置为包括指纹提取设备40；“指纹”定义为稳固的感知特征或者属性，它们易用于在存储了参数、时间戳/时间描述符、标题、艺术家以及类似信息的数据库中搜索，例如在与数据内容相关联的元数据中搜索。优选地，提取设备40能够稳固地处理当生成信号Y′时已经应用于信号Y的在-5％到+5％范围内的时间缩放变化。因此，设备40优选地耦合来与数据库50的通信，以使得由设备40提取的数据内容指纹能够与存储在数据库50中的对应数据相关联。

现在将参照图2描述检测器20的操作。检测器20接收信号Y′。设备40分别提取持续时间d₁到d_q的一系列的q个节选100到120，其中q是大于整数的整型。而且，对于q个节选100到120，设备40通过指纹提取确定对应的属性集P₁到P_q，即区别主要的区别特征，每组属性可以被视为是对应于其关联的节选的指纹。该持续时间d₁到d_q优选均在1秒到10秒的范围内，并且更优选为基本上为3秒。

接下来，设备40将至少一个属性P₁到P_q发送到数据库50，每个属性表示以上所述的指纹。数据库50随后试图将从设备40接收的属性集合P₁到P_q与存储在数据库50的N个属性记录T₁到T_N进行匹配以确定节选100到120所来自的那个记录。

可以理解的是，定义信号Y′的一系列指纹的特征属性集合P₁到P_q作为选择可用于识别存储在数据库50中对应于信号Y’的节目内容元数据。这种元数据的识别能够具有多个潜在应用，例如提供辅助的用户信息并且在数据库50中搜索相关数据内容，例如其它相关电影或者录音。

根据本发明，现在，数据库从节选100到120所来自的记录确定一个或多个时间指示MT₁到MT_q；该时间指示MT₁到MT_q又名“时间戳”。易于从数据库50检索到时间指示MT₁到MT_q的准确度基本上为20毫秒。通过将设备40确定的持续时间d₁到d_q与从数据库50提供到设备40的时间指示MT₁到MT_q进行比较，确定信号Y′相对于信号Y是否出现了速度变化是切实可行的。例如，当两个连续的时间指示MT₁和MT₂是由设备40从数据库获得的时候，设备40将(MT₂-MT₁)与第一节选的持续时间d₁比较。在将持续时间d₁＝3秒的节选的指纹应用于数据库并且该数据库报告(MT₂-MT₁)＝3秒的情况中，没有发生速度变化，即没有发生缩放变化。然而，如果数据库报告时间戳MT₁和MT₂是相隔2.88秒，那么在生成信号Y′时一定是将速度变小4％应用于信号Y。因此，对时间缩放因子的准确估计可以根据从设备40结合数据库50执行的指纹检测所得出的时间指示MT而计算出。

如上所述，现代的水印检测器倾向于不太能容忍速度变化，并且当信号Y和Y′之间发生大于+/-1％的速度变化时很可能会检测不到水印信息。即使对于速度变化最多到+/-1％而言，现代的水印检测器也需要执行数量相对大的搜索，例如通常是几百次搜索，就计算资源而言这是需要的。在本发明中，响应于由设备40执行的指纹提取从数据库50导出期望的缩放因子使得随后的水印检测能够可选地在所计算的缩放因子左右迭代。这种方法能够成数量级地增大水印检测速度，例如10到20倍。举例来说，当该方法应用于常规的水印检测器时，实验研究发现该方法能够将常规的检测器的运行速度提高高达20倍。

图3提供了检测器20结合连接设备40一起运行来实现上述方法的示意图。检测器20包括：指纹提取器200，实现在设备40中并耦合至水印检测设备220，检测设备220用于从提取器200接收对应于最佳指纹检测的几何缩放因子信息sc(fp)并且利用该信息在更适当的范围内指引搜索水印内容，从而极大地增强水印检测的快速性和可靠性。

在图4中，检测器20内执行的功能由300、310、320表示。功能310是速度变化估计功能，用于从输入信号Y′提取一个或多个特征属性集P₁到P_q，以将这些属性集P₁到P_q传送到数据库50以与存储的属性T_i到T_N进行匹配，并且用于随后为信号Y′从数据库50接收由MT表示的期望的时间戳。而且，功能300是反向缩放缩放操作，其处理信号Y′以生成信号Y′的对应重新缩放的信号YP。此外，功能320是水印检测功能，其处理重新缩放的信号YP以检测嵌入其中的水印内容。该功能320可操作来在估计的缩放因子MT左右迭代以确定水印内容W最可靠地在重新缩放的信号YP中检测到的条件，从而连同估计的缩放因子MT一起确定在生成对应修改的信号Y′时信号Y已经经受过的缩放因子的测量。

因此，最后，检测器20配置为执行检测信号Y′中的水印的方法，例如信号Y′是一多媒体信号。所述方法包括第一步：从信号Y′提取指纹属性并且匹配数据库50中的这些属性以获得估计的时间缩放因子MT。而且，该方法还包括第二步：利用估计的缩放因子MT通过在信号Y′中在该估计的缩放因子左右执行迭代搜索以便提取嵌入信号Y′中的水印内容W。存储在数据库50中用以与从信号Y′中提取的特征属性集P₁到P_q匹配的数据，优选为自身是指纹数据的形式。此外，信号Y、Y′优选为多媒体信号，例如是音频、语音、图像和视频中的至少一个。

除了解决信号Y、Y′之间的时间缩放因子失真的问题，检测器20还能够利用上述的方法按类似方式可选地或者附加地处理空间缩放因子变化及其它形式的几何失真，即利用指纹检查来从数据库50获得估计的缩放因子，之后在检测器20内执行更为准确的被指引的迭代性水印检测。

在所附权利要求中，包括在括号内的数字以及其它符号都用于辅助理解权利要求书，但并不意味着以任何方式限制权利要求书的范围。

可以理解的是，在不脱离所附权利要求定义的本发明范围的情况下，可以修改上述的本发明的实施例。

当解释说明书及其相关的权利要求时，诸如“包括”、“组成”、“并入”、“包含”、“是”和“具有”之类的表达要以非排它的方式解释，即解释为也允许存在没有明确定义的其它项目或元件。参照一个也可以解释为参照多个，反之亦然。

本发明可以概述如下。提供一种水印检测器(20)，包括用于接收包括待搜索的水印内容(W)的输入信号(Y′)的输入端。检测器(20)的第一处理器(40)可用于分析该信号(Y′)的部分(100、110、120)以识别对应的特征属性集或者指纹(P_i到P_q)以及关联的时间描述符(d₁到d_q)。提供一个到数据库(50)的通信链路，用以将指纹传送到数据库(50)以识别该信号并确定对应于原始信号中的部分(100、110、120)的相应时间描述符(MT₁到MT_q)。还包括了第二处理器(220)，用于根据时间描述符(d₁到d_q)和检索的时间描述符(MT₁到MT_q)之间的差别计算输入信号(Y′)已经经受的缩放因子。该缩放因子可用于重新缩放信号并从重新缩放的信号(Y′)提取水印。

Claims (13)

1.一种搜索与水印检测相关联的缩放因子的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)接收包括要被搜索的潜在水印内容(W)的输入信号(Y’)；

(b)分析该信号(Y’)的部分(100、110、120)以识别对应的特征属性集(P₁到P_q)和其关联的测量的时间描述符(d₁到d_q)；

(c)将特征属性集(P₁到P_q)与参考数据(T₁到T_N)进行匹配以确定相应于该部分(100、110、120)的对应期望的时间描述符(MT₁到MT_q)；以及

(d)根据测量的时间描述符(d₁到d_q)和期望的时间描述符(MT₁到MT_q)之间的差别计算输入信号(Y’)已经经受的缩放因子。

2.如权利要求1所述的方法，包括以下进一步步骤：使用在步骤(d)确定的缩放因子重新缩放输入信号(Y’)以生成对应的重新缩放的输入信号，然后从重新缩放的输入信号(Y’)中提取水印信息。

3.如权利要求2所述的方法，包括以下进一步步骤：从步骤(d)应用在该缩放因子左右迭代的一个缩放因子以提取水印信息。

4.如权利要求1所述的方法，其中特征属性集(P₁到P_q)对应于输入信号(Y′)的内容指纹。

5.如权利要求1所述的方法，包括以下进一步步骤：利用特征属性集(P1到Pq)来识别与输入信号(Y′)的节目数据内容有关的元数据。

6.如权利要求1所述的方法，其中响应于接收一个或多个特征属性集(P₁到P_q)实时地生成至少一部分参考数据(T₁到T_N)。

7.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)中，至少一个部分对应于信号(Y′)的至少一个分段，具有1到10秒范围内的播放持续时间，优选为基本上3秒。

8.如权利要求1所述的方法，包括以下进一步步骤：安排步骤(d)中计算的缩放因子来校正应用于输入信号(Y′)的至少一个以下失真：时间缩放因子失真、空间缩放因子失真、空间过滤失真、时间过滤失真。

9.如权利要求1所述的方法，其中输入信号(Y′)是包括以下其中至少一个的多媒体信号：音频、语音、图像和视频。

10.一种水印检测器(20)，可操作来搜索与水印检测相关联的缩放因子，该检测器包括：

(a)用于接收包括待搜索的潜在水印内容(W)的输入信号(Y′)的输入端；

(b)第一处理器(40)，用于分析该信号(Y′)的部分(100、110、120)以识别对应的特征属性集(P_i到P_q)以及其关联的测量的时间描述符(d₁到d_q)；

(c)提供到数据库(50)的通信链路，用以将所述特征属性集(P_i到P_q)传送到数据库(50)，以便能够将特征属性集(P_i到P_q)与参考数据(T₁到T_N)进行匹配，来确定对应于部分(100、110、120)的相应期望的时间描述符(MT₁到MT_q)；以及

(d)第二处理器(220)，用于根据测量的时间描述符(d₁到d_q)和期望的时间描述符(MT₁到MT_q)之间的差别计算输入信号(Y′)已经经受的缩放因子。

11.如权利要求10所述的检测器(20)，可用于应用第二处理器(220)确定的缩放因子来从输入信号(Y′)提取水印内容。

12.一种水印检测系统(20、50)，包括根据权利要求10的、可耦合来与数据库(50)通信的检测器(20)，所述数据库(50)操作来提供对应于特征属性集(P₁到P_q)的期望的时间描述符(MT₁到MT_q)，所述特征属性集(P₁到P_q)可在检测器(20)根据对输入信号(Y’)的分析导出，所述期望的时间描述符(MT₁到MT_q)可以连同与属性集合(P₁到P_q)相关联的测量的时间描述符(d₁到d_q)一起使用来计算输入信号(Y’)已经经受的缩放因子，所述缩放因子可用于指引在检测器(20)内的水印检测。

13.一种可与根据权利要求10的检测器(20)耦合的数据库，所述数据库包括：与期望的缩放因子有关的数据和关联的期望特征属性集合(T₁到T_N)，所述关联的期望的特征属性集合(T₁到T_N)被与从对输入信号(Y′)的分析而导出的测量的特征属性集(P₁到P_q)匹配，以便将所述期望的缩放因子相关到从对输入信号(Y′)的分析而导出的所述测量的的特征属性集(P₁到P_q)。

Images